CN115158531A - 具有入水减载功能的超空泡航行器头部结构 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了具有入水减载功能的超空泡航行器头部结构，包括圆盘空化器，圆盘空化器底部依次连接减载块、安装座，安装座底部连接航行器外壳，圆盘空化器内中部开设第一进水流道，安装座内中部为中空结构，且连接第二进水流管，航行器外壳中部连接第三进水流管，第一进水流道、第二进水流管、第三进水流管相互接通；在超空泡航行器入水时依靠外部载荷作用启动，能够依据本身结构特点实现空化器向后移动压缩减载块延长冲击载荷传递到后部航行器的时间，降低冲击载荷峰值，起到入水减载的作用，提高入水安全性，并且可以实现入水空泡完整保留，直到进入水下航行阶段形成包裹航行器的超空泡，减小航行阻力。
Description
技术领域
本发明属于超空泡航行器空化技术领域，具体涉及具有入水减载功能的超空泡航行器头部结构。
背景技术
在现代海战中，仅依靠单一的空中或者水下攻击手段难以对防御性能好的大型水面舰船造成有效威胁：鱼雷等水下航行器具有攻击能力强、隐蔽性能好等特点，但由于其能供系统有限且水下航行阻力巨大，因此其航速较低，航程较短；而空中导弹具有速度高、航程远的优势，不过隐蔽性差，容易被拦截。而跨介质航行器的理念巧妙的结合了二者的优点，既可以在空中高速飞行接近目标，又可以进入水下躲避侦察，使得在远距离高速隐蔽的打击目标成为可能。然而，跨介质航行器要实现上述目的就必须面临高速入水问题，高速入水过程中的巨大冲击载荷会对航行器的结构安全和测控器件性能带来不可预测的影响。
航行器高速入水要经过撞水阶段，尤其是高速航行器在撞水阶段会受到巨大的冲击载荷，在冲击载荷的作用下结构会受到强烈的瞬时冲击压力和过载，引起沾水部位壳体褶稳、薄弱部位损伤，更严重者引发连接松动、电器短路断路，使得航行器丧失原有的功能。因此，对于跨介质航行器的入水过程进行减载工作十分有必要。
现有针对空投鱼雷的减载方式以塑性头帽为主，头帽装配在鱼雷头部前侧，在入水过程中由于吸收撞击能量而破碎。但头帽减载对于超空泡航行器显然不适用，首先超空泡航行器头部空化器尺寸较小，难以布置减载头帽，其次头帽的外型不利于空泡的形成和发展，由于头帽会发生破碎，所以难以生成和维持稳定的入水空泡，继而影响超空泡航行器入水弹道的稳定性，这就要求空化器直接入水。而采用传统的空化器和航行器直接装配的形式入水不会起到减载的功能，对于航行器以及空化器都产生结构损伤。
发明内容
本发明的目的是提供具有入水减载功能的超空泡航行器头部结构，解决了现有的超空泡航行器装配空化装置直接入水由于冲击压力过高导致的航行器及空化器破损或失灵的问题。
本发明所采用的技术方案是，具有入水减载功能的超空泡航行器头部结构，包括圆盘空化器，圆盘空化器底部依次连接减载块、安装座，安装座底部连接航行器外壳，圆盘空化器内中部开设第一进水流道，安装座内中部为中空结构，且连接第二进水流管，航行器外壳中部连接第三进水流管，第一进水流道、第二进水流管、第三进水流管相互接通。
本发明的特点还在于：
第一进水流道为开口渐变的水流通道，且靠近第二进水流管一端口径最小。
第二进水流管靠近第一进水流道一端连接限位管，限位管内径与第一进水流道最小口径相同。
安装座靠近圆盘空化器的一端中部开设凹槽，减载块接触连接于安装座的凹槽内，圆盘空化器底部接触连接减载块。
圆盘空化器底部外壁连接凸台，凸台延伸至凹槽内，安装座位于凹槽端部连接的端盖。
第二进水流管靠近第三进水流管的一端外壁连接球形底座，航行器外壳靠近安装座一端连接A半球壳，A半球壳通过螺栓连接B半球壳，球形底座接触连接于A半球壳、B半球壳之间，B半球壳连接第三进水流管。
A半球壳与第二进水流管之间存在空隙。
圆盘空化器外套接第一导流碗，安装座外套接第二导流碗。
减载块采用高阻尼橡胶材料。
第二进水流管外套接能够密封第二进水流管与安装座的O型垫圈。
本发明有益效果是：
本发明具有入水减载功能的超空泡航行器头部结构，装配在超空泡航行器头部前端，此缓冲空化装置能够实现空化器的轴向伸缩移动功能，在撞水阶段由于空化器能够沿轴向向后压缩减载块，延长冲击载荷作用的时间以及降低冲击载荷的峰值，从而削弱冲击载荷对于空化器本身以及后面连接的航行器的作用效果，提高入水安全性；并且实现空化器直接入水的要求，在直航过程中保留自然空化所形成的入水空泡，减小航行阻力。
附图说明
图1是本发明具有入水减载功能的超空泡航行器头部结构结构示意图；
图2是本发明中减载块主视图及剖视图；
图3是本发明中端盖主视图；
图4是本发明实施案例中的入水空泡以及航行器外型轮廓图；
图5是本发明实施案例中的水下直航空泡及航行器外型轮廓图；
图6是本发明实施案例中是否装配减载结构工况下航行器的入水过程加速度曲线。
图中，1.圆盘空化器，2.第三进水流管，3.第一导流碗，4.第一进水流道，5.限位管，6.端盖，7.O型垫圈，8.减载块，9.安装座，10.第二进水流管，11.第二导流碗，12.航行器外壳，13.A半球壳，14.B半球壳，15.球形底座。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明具有入水减载功能的超空泡航行器头部结构，如图1所示，包括圆盘空化器1，圆盘空化器1底部依次连接减载块8、安装座9，安装座9底部连接航行器外壳12，圆盘空化器1内中部开设第一进水流道4，安装座9内中部为中空结构，且连接第二进水流管10，航行器外壳12中部连接第三进水流管2，第一进水流道4、第二进水流管10、第三进水流管2相互接通，当圆盘空化器1受到冲击载荷而向后相对运动时，先挤压减载块8。减载块8在受到轴向压力之后发生变形，向其内部空间预留的空隙发生膨胀。由于减载块8的滞后效应以及变形需要时间，因此传递到航行器外壳12上的峰值载荷被大幅度减小。而海水经由第一进水流道4、第二进水流管10以及第三进水流管2三部分组成的进水流道系统进入水冲压发动机与金属燃料发生反应，生成高温燃气从而产生推力。在撞水阶段所形成的自然空泡会维持并发展到稳定航行阶段的闭合空泡从而减小航行器在直航阶段受到的阻力。
第一进水流道4为开口渐变的水流通道，且靠近第二进水流管10一端口径最小。
第二进水流管10靠近第一进水流道4一端连接限位管5，限位管5内径与第一进水流道4最小口径相同，航行器外壳12在撞水阶段，圆盘空化器1由于受到冲击载荷而向后相对运动，当移动一定距离后，第一进水流道4的最小口径等于限位管5的工作内径，从而约束限制圆盘空化器1继续向后相对运动，对第二进水流管10起到限位作用。
安装座9靠近圆盘空化器1的一端中部开设凹槽，减载块8接触连接于安装座9的凹槽内，圆盘空化器1底部接触连接减载块8，如图2所示，减载块8横截面呈带孔圆环状，在圆环面积内沿周向均匀开设6个梯形孔为减载块受压变形提供空间，减载块8内径与第二进水流管10外径相同实现紧密装配，减载块8外径与安装座9前段内径相同，周向紧密贴合起到约束固定第二进水流管10法向运动的作用。
圆盘空化器1底部外壁连接凸台，凸台延伸至凹槽内，安装座9位于凹槽端部连接的端盖6，如图3所示，端盖6内径略大于圆盘空化器1中间段外径，能够防止圆盘空化器1与安装座9分离，对圆盘空化器1起到限位作用。
第二进水流管10靠近第三进水流管2的一端外壁连接球形底座15，航行器外壳12靠近安装座9一端连接A半球壳13，A半球壳13通过螺栓连接B半球壳14，球形底座15接触连接于A半球壳13、B半球壳14之间，B半球壳14连接第三进水流管2。
A半球壳13与第二进水流管10之间存在空隙，使得球形底座15可以在由A半球壳13与B半球壳14组成的球壳结构中发生小角度转动从而避免圆盘空化器1由于受到法向载荷引起第二进水流管10结构破坏现象的发生，以及阻滞前部振动传递到后部第三进水流管2。
圆盘空化器1外套接第一导流碗3，安装座9外套接第二导流碗11，第一导流碗3、第二导流碗11能够辅助超空泡生成以及维持超空泡稳定。
圆盘空化器1采用93钨合金材料制作，减载块8采用高阻尼橡胶材料制作。
第二进水流管10外套接能够密封第二进水流管10与安装座9的O型垫圈7。
本发明具有入水减载功能的超空泡航行器头部结构工作原理为：
如图1所示，在跨介质航行器入水之前，减载块8处于未压缩状态，圆盘空化器1底部圆柱上表面与端盖6上表面接触。在撞水过程中，圆盘空化器1由于首先受到水面的冲击载荷而存在相对航行器12向后的运动趋势，此时由于圆盘空化器1与航行器外壳12之间存在减载块8的缘故，圆盘空化器1受到的载荷不会立即传递到航行器外壳12上，而是先挤压减载块8。减载块8在受到轴向压力之后发生变形，向其内部空间预留的空隙发生膨胀。由于减载块8的滞后效应以及变形需要时间，因此传递到航行器外壳12上的峰值载荷被大幅度减小。而海水经由第一进水流道4、第二进水流管10以及第三进水流管2三部分组成的进水流道系统进入水冲压发动机与金属燃料发生反应，生成高温燃气从而产生推力。在撞水阶段所形成的自然空泡会维持并发展到稳定航行阶段的闭合空泡从而减小航行器在直航阶段受到的阻力。
实施例
对于某型号超空泡航行器以200m/s的速度竖直入水情况，在装配本发明之后计算得到该型号超空泡航行器入水空泡外形如图4、图5所示，图中已经把超空泡航行器和所生成的空泡进行了无量纲化处理：横轴表示空泡截面长度和航行器截面长度的比值；纵轴表示空泡截面宽度和航行器截面长度的比值。由图4、5可知在应用本发明结构的条件下，入水空泡可以完整保存并且可以继续发展成为包裹航行器在水下弹道直航的超空泡。图6为是否装配本发明减载结构工况下，后部航行器的加速度曲线。图中横轴代表时间，纵轴代表航行器加速度a和重力加速度g的比值。由图6可知，在入水阶段该发明实现空化器直接入水以及削弱冲击载荷对航行器作用的效果。
通过上述方式，本发明具有入水减载功能的超空泡航行器头部结构，在超空泡航行器入水时依靠外部载荷作用启动，能够依据本身结构特点实现空化器向后移动压缩减载块延长冲击载荷传递到后部航行器的时间，降低冲击载荷峰值，起到入水减载的作用，提高入水安全性，并且可以实现入水空泡完整保留，直到进入水下航行阶段形成包裹航行器的超空泡，减小航行阻力。
Claims (10)
1.具有入水减载功能的超空泡航行器头部结构，其特征在于，包括圆盘空化器(1)，所述圆盘空化器(1)底部依次连接减载块(8)、安装座(9)，所述安装座(9)底部连接航行器外壳(12)，所述圆盘空化器(1)内中部开设第一进水流道(4)，所述安装座(9)内中部为中空结构，且连接第二进水流管(10)，所述航行器外壳(12)中部连接第三进水流管(2)，所述第一进水流道(4)、第二进水流管(10)、第三进水流管(2)相互接通。
2.根据权利要求1所述具有入水减载功能的超空泡航行器头部结构，其特征在于，所述第一进水流道(4)为开口渐变的水流通道，且靠近第二进水流管(10)一端口径最小。
3.根据权利要求1所述具有入水减载功能的超空泡航行器头部结构，其特征在于，所述第二进水流管(10)靠近第一进水流道(4)一端连接限位管(5)，所述限位管(5)内径与第一进水流道(4)最小口径相同。
4.根据权利要求1所述具有入水减载功能的超空泡航行器头部结构，其特征在于，所述安装座(9)靠近圆盘空化器(1)的一端中部开设凹槽，所述减载块(8)接触连接于安装座(9)的凹槽内，所述圆盘空化器(1)底部接触连接减载块(8)。
5.根据权利要求4所述具有入水减载功能的超空泡航行器头部结构，其特征在于，所述圆盘空化器(1)底部外壁连接凸台，所述凸台延伸至凹槽内，所述安装座(9)位于凹槽端部连接的端盖(6)。
6.根据权利要求1所述具有入水减载功能的超空泡航行器头部结构，其特征在于，所述第二进水流管(10)靠近第三进水流管(2)的一端外壁连接球形底座(15)，所述航行器外壳(12)靠近安装座(9)一端连接A半球壳(13)，所述A半球壳(13)通过螺栓连接B半球壳(14)，所述球形底座(15)接触连接于A半球壳(13)、B半球壳(14)之间，所述B半球壳(14)连接第三进水流管(2)。
7.根据权利要求1所述具有入水减载功能的超空泡航行器头部结构，其特征在于，所述A半球壳(13)与第二进水流管(10)之间存在空隙。
8.根据权利要求1所述具有入水减载功能的超空泡航行器头部结构，其特征在于，所述圆盘空化器(1)外套接第一导流碗(3)，所述安装座(9)外套接第二导流碗(11)。
9.根据权利要求1所述具有入水减载功能的超空泡航行器头部结构，其特征在于，所述减载块(8)采用高阻尼橡胶材料。
10.根据权利要求1所述具有入水减载功能的超空泡航行器头部结构，其特征在于，所述第二进水流管(10)外套接能够密封第二进水流管(10)与安装座(9)的O型垫圈(7)。
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